摘要：本文介紹了匯川HD92皮帶機(jī)專用高壓變頻器在寧夏某煤礦主井(斜井)皮帶機(jī)上的應(yīng)用。并從電氣 原理、性能、節(jié)能分析等各方面對(duì)高壓變頻器在皮帶機(jī)上的應(yīng)用做總結(jié)。
一、概述
皮帶輸送機(jī)是煤礦最理想的高效連續(xù)輸送設(shè)備，是煤礦開采機(jī)電一體化技術(shù)與裝備的關(guān)鍵設(shè)備，是煤礦斜井生產(chǎn)的重要傳送設(shè)備。國內(nèi)煤礦的高壓電機(jī)拖動(dòng)的皮帶機(jī)一般都采用工頻拖動(dòng)，并在電機(jī)和減速機(jī)之間加裝液力耦合器，液力耦合器通過勺管來改變渦輪與泵輪之間油腔的油量多少來調(diào)速，達(dá)到軟起、軟停、調(diào)試的目的。但液力耦合器是機(jī)械設(shè)備，不可能精確的調(diào)整油腔的油量，更不能使兩臺(tái)電機(jī)無論在啟動(dòng)、停止還是在運(yùn)行中達(dá)到轉(zhuǎn)速一致、轉(zhuǎn)矩相同、功率平衡的目的;而變頻器完全可以解決這個(gè)問題，液力耦合器屬于低效調(diào)速設(shè)備，在調(diào)速的過程中轉(zhuǎn)差功率以熱能的形式損耗在油中。這不僅消耗了能量，而且使液力耦合器油溫升高，為此必須采取妥善的冷卻方式，特別是在環(huán)境溫度較高的場合應(yīng)用，對(duì)冷卻的要求更高，在夏季不得不采取不間斷的沖水冷卻等措施，即使如此，有時(shí)仍會(huì)因溫度過高，威脅到液力耦合器安全時(shí)，不得不停機(jī)，以使溫度降下來。所以高壓變頻器在皮帶機(jī)上取代液力耦合器是必然的趨勢。
二、設(shè)備概況
某煤礦皮帶機(jī)輸送系統(tǒng)主要有皮帶機(jī)、抱閘、減速機(jī)、逆止器、皮帶、皮帶秤、抓捕器、拉線急停、跑偏傳感器等組成。
1、皮帶機(jī)
皮帶長800米，寬1.5米。2臺(tái)電機(jī)，拖動(dòng)直徑1.2米的驅(qū)動(dòng)滾筒。速度3/S米，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)滾筒都在機(jī)頭。距離較近為鋼性連接。
2、驅(qū)動(dòng)電機(jī)
三相異步電機(jī)
功率450KW
電機(jī)電壓10KV
電機(jī)額定電流32.5，
功率因數(shù)0.84，
轉(zhuǎn)速1450R/MIN
3、抱閘器(電力液壓驅(qū)動(dòng)器)：額定推力1250N,功率560W，
4、減速機(jī)：西門子生產(chǎn)行星式減速機(jī)。功率500KW,N1=1500，N2=42.38。
三、煤礦皮帶機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
皮帶機(jī)多機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的核心問題是皮帶系統(tǒng)中各電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩平衡問題。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)現(xiàn)場工藝不同，可以選擇不同的變頻控制方案。
1.“一拖二”方案
此方案是采用一臺(tái)變頻器同時(shí)拖動(dòng)兩臺(tái)電機(jī)運(yùn)行，將各個(gè)電機(jī)定子繞組接線直接并聯(lián)接在一臺(tái)變頻器輸出測。“一拖二”方案中，變頻器無法對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩進(jìn)行獨(dú)立的控制，因此各電機(jī)的出力由電機(jī)的參數(shù)和皮帶參數(shù)決定;其中，影響電機(jī)功率平衡的主要因素是電機(jī)的參數(shù)差異和拖動(dòng)滾筒及皮帶的包絡(luò)角差異;正常情況下，包絡(luò)角的大小只存在設(shè)計(jì)及加工上的差異，但是當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行后，由于提升的貨物是潮濕的，皮帶在卸貨物后，上面仍殘留一些煤渣，這時(shí)候轉(zhuǎn)到拖到滾筒上，就會(huì)使拖動(dòng)滾筒直徑變大;誤差越大，系統(tǒng)中電機(jī)的功率差異就會(huì)越大。
采用“一拖二”方案有以下弊端
1)變頻器不能有效的分配兩臺(tái)電機(jī)的功率，達(dá)到功率平衡的目的;
2)變頻器不能有效的保護(hù)每一臺(tái)電機(jī)，因?yàn)橐慌_(tái)變頻拖動(dòng)兩臺(tái)電機(jī)，我們?cè)谠O(shè)置過流保護(hù)值時(shí)，如果按照單臺(tái)設(shè)定，如果電機(jī)負(fù)載大或是負(fù)載波動(dòng)比較大時(shí)，會(huì)因?yàn)檫^流故障停機(jī)，更嚴(yán)重的是根本啟動(dòng)不了皮帶機(jī)。如果按照兩臺(tái)電機(jī)的保護(hù)設(shè)定過流值，達(dá)不到保護(hù)電機(jī)的目的。如果為電機(jī)分別安裝保護(hù)柜的話，不但增加費(fèi)用，而且連鎖復(fù)雜。
2.“主從控制”方案
此方案采用兩臺(tái)變頻器分別拖動(dòng)兩臺(tái)電機(jī)(或者多臺(tái))，將各個(gè)電機(jī)定子繞組直接分別接在相應(yīng)的變頻器輸出側(cè)，主從同步控制運(yùn)行變頻系統(tǒng)是由完全獨(dú)立的兩臺(tái)變頻器通過主、從機(jī)的同步CAN總線通訊方式保證雙電機(jī)的轉(zhuǎn)速一致，功率平衡。高壓變頻器采用主從控制方案，三環(huán)控制模式，主機(jī)采用轉(zhuǎn)速控制，從機(jī)采用轉(zhuǎn)矩控制。主機(jī)通過CAN通訊實(shí)時(shí)采集從機(jī)電流信號(hào)、電壓信號(hào)、頻率信號(hào)，實(shí)時(shí)調(diào)整給從機(jī)的轉(zhuǎn)矩信號(hào)，使主機(jī)和從機(jī)的功率達(dá)到完美的平衡。
當(dāng)其中一臺(tái)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)不停機(jī)，故障變頻器自動(dòng)轉(zhuǎn)到工頻，控制器繼續(xù)采集工頻電機(jī)的電流、電壓反饋給變頻器，采用單頻轉(zhuǎn)矩調(diào)整控制模式，工頻電機(jī)為主機(jī)，變頻電機(jī)為從機(jī)，變頻器50HZ運(yùn)行，自動(dòng)調(diào)整轉(zhuǎn)矩，使輸出轉(zhuǎn)矩與工頻電機(jī)轉(zhuǎn)矩一致，功率平衡。如果工頻電機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，故障跳高壓開關(guān)柜后，變頻器采用模糊控制也就是自適應(yīng)控制方式，變頻器不停機(jī)，迅速降低轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償。
用戶控制命令源，采用多段速與模擬量設(shè)置相結(jié)合。變頻器DI點(diǎn)開關(guān)量輸入，當(dāng)用戶選擇多段速控制時(shí)，DI為常開點(diǎn);當(dāng)用戶選擇模擬量設(shè)定頻率控制時(shí)，DI點(diǎn)為常閉點(diǎn)。
3.高壓變頻器高壓系統(tǒng)方案
高壓變頻器采用自動(dòng)旁路柜，一拖一方案。自動(dòng)旁路可以選擇遠(yuǎn)方和就地控制切換。
4.皮帶機(jī)保護(hù)
皮帶機(jī)保護(hù)有雙向拉繩急停保護(hù)，速度開關(guān)保護(hù)，溫度保護(hù)，煙霧保護(hù)、縱向撕裂保護(hù)，兩級(jí)跑偏開關(guān)保護(hù)，堵煤開關(guān)保護(hù)，超溫灑水。HD92皮帶機(jī)專用高壓變頻器預(yù)留了皮帶機(jī)保護(hù)的專用接口，可以通過通訊上傳故障，也可以通過端子排做皮帶機(jī)和高壓變頻器的故障連鎖，只需把所有的保護(hù)信號(hào)上傳 ，高壓變頻器可以對(duì)皮帶機(jī)做實(shí)時(shí)的監(jiān)控。HD92具備如下保護(hù)：
1)跑偏保護(hù)
2)堆煤保護(hù)
3) 速度保護(hù)
4) 縱撕保護(hù)
5) 其它設(shè)備保護(hù)
四、匯川技術(shù)HD92皮帶機(jī)專用高壓變頻器的優(yōu)勢
4.1匯川技術(shù)HD92系列高壓變頻器技術(shù)特點(diǎn)
匯川HD92系列高壓變頻器以高速浮點(diǎn)DSP為控制核心，采用矢量控制技術(shù)、功率單元串聯(lián)多電平技術(shù)，屬高-高電壓源型變頻器，其諧波指標(biāo)遠(yuǎn)小于 IEE519-1992的諧波國家標(biāo)準(zhǔn)，輸入功率因數(shù)高，輸出波形質(zhì)量好，不必采用輸入諧波濾波器、功率因數(shù)補(bǔ)償裝置和輸出濾波器;不存在諧波引起的電機(jī)附加發(fā)熱和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)、噪音、輸出dv/dt、共模電壓等問題，可以使用普通的異步電機(jī)。HD92高壓變頻器除具有一般普通變頻器的性能外，還具有以下突出特點(diǎn)：
(1)采用高速DSP+RAM+FPGA作為核心處理器，運(yùn)算速度更快，控制更精準(zhǔn)。
(2)飛車啟動(dòng)功能。能夠識(shí)別電機(jī)的速度并在電機(jī)不停轉(zhuǎn)的情況下直接啟動(dòng)。
(3)完整的工頻/變頻自動(dòng)互切技術(shù)。匯川技術(shù)提供的自動(dòng)旁路切換柜，不僅可實(shí)現(xiàn)變頻故障情況下自動(dòng)由變頻轉(zhuǎn)換至工頻運(yùn)行狀態(tài)，還可實(shí)現(xiàn)在變頻檢修完畢后由工頻瞬間轉(zhuǎn)換至變頻運(yùn)行的功能，整個(gè)轉(zhuǎn)換過程不會(huì)對(duì)用戶設(shè)備的運(yùn)行造成任何影響。
(4) 矢量控制方式，低頻時(shí)可輸出大轉(zhuǎn)矩。
(5) 具備突發(fā)相間短路保護(hù)功能。如果由于設(shè)備原因及其他原因造成輸出短路，此時(shí)如果變頻器不具備相間短路保護(hù)功能，將會(huì)導(dǎo)致重大事故。匯川變頻器在發(fā)生類似問題時(shí)能夠立即封鎖變頻器輸出，保護(hù)設(shè)備不受損害，避免事故的發(fā)生。
(6)多機(jī)主從控制，功率均衡。皮帶機(jī)不管是啟動(dòng)還是運(yùn)行過程中，電機(jī)是相同的電流，相同的轉(zhuǎn)矩，不會(huì)出現(xiàn)一電機(jī)過載，一臺(tái)電機(jī)輕載的問題，而且具有軟起動(dòng)的功能，啟動(dòng)時(shí)電流不超過電機(jī)的額定電流，減小電機(jī)在啟動(dòng)瞬間對(duì)絕緣的損壞。對(duì)電機(jī)的軸承的機(jī)械沖擊減小。
(7)具有單變頻主從控制模式，當(dāng)一臺(tái)變頻器出現(xiàn)故障時(shí)，故障機(jī)器自動(dòng)切換到工頻，工頻電機(jī)為主機(jī)，變頻電機(jī)為從機(jī)。變頻電機(jī)根據(jù)采集到工頻電機(jī)的電流、電壓量實(shí)時(shí)調(diào)整自身轉(zhuǎn)矩輸出，主從控制達(dá)到功率平衡。
(8)非對(duì)稱旁路技術(shù)為提升機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行提供可靠保障(選配)
當(dāng)其中某個(gè)單元出現(xiàn)故障后，如果單元具備旁路功能，通過非對(duì)稱旁路技術(shù)可以使系統(tǒng)不停機(jī)運(yùn)行。功率單元旁路采用機(jī)械式接觸器方式，并且專門為其設(shè)計(jì)了一套功率單元旁路控制系統(tǒng)，一旦功率單元故障，旁路系統(tǒng)均能正確安全的旁路。
4.2 使用效果
使用HD92高壓變頻器后，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測空載啟動(dòng)、停止、運(yùn)行;輕載時(shí)啟動(dòng)、停止運(yùn)行以及重載時(shí)啟動(dòng)、停止運(yùn)行的波形，可以看出此皮帶機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)，完全滿足設(shè)計(jì)要求。實(shí)現(xiàn)了皮帶機(jī)低頻大轉(zhuǎn)矩能力，把運(yùn)行過程荷載變化對(duì)設(shè)備的影響降到最低，實(shí)現(xiàn)皮帶機(jī)系統(tǒng)完美控制運(yùn)行。
圖5 現(xiàn)場HD92高壓變頻器照片
五、結(jié)束語
HD92高壓變頻器為匯川技術(shù)大傳動(dòng)產(chǎn)品線開發(fā)生產(chǎn)的高性能高壓變頻器，其具備磁鏈閉環(huán)矢量控制算法，多個(gè)現(xiàn)場的使用表明，完全可以滿足皮帶機(jī)應(yīng)用的要求。特別是HD92高壓變頻器的多機(jī)高速通訊方案，為皮帶機(jī)多機(jī)功率平衡提供了完美的解決方案。
深圳市匯川技術(shù)股份有限公司
深圳市匯川技術(shù)股份有限公司專注于工業(yè)自動(dòng)化控制產(chǎn)品的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售，定位服務(wù)于中高端設(shè)備制造商，以擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的工業(yè)自動(dòng)化控制技術(shù)為基礎(chǔ)，以快速為客戶提供個(gè)性化的解決方案為主要經(jīng)營模式，實(shí)現(xiàn)企業(yè)價(jià)值與客戶價(jià)值共同成長。匯川在全國擁有66個(gè)辦事處，236家授權(quán)代理商，90家全國聯(lián)保中心。欲進(jìn)一步了解匯川，請(qǐng)?jiān)L問 www.inovance.cn。
